基于DSP的心电监护模块设计

　　心电图是诊断心律失常的最可靠的途径，其它临床检查虽然也可以诊断某些心律失常，但是准确率不高。通过观察患者的心电图，其诊断准确率几乎可以达到100％。心电监护模块的功能就是实时地记录下病人的心电波形，并进行自动分析和处理，同时给出相应的结论。

　　随着数字信号处理技术和大规模集成电路工艺的发展，单片数字信号处理器的功能越来越强大，价格越来越低，越来越多地被应用到人们生产生活的各个领域。本文介绍一种基于DSP芯片的心电监护模块的解决方案，讨论了它的硬件结构和软件组成。

　　该心电监护模块是一个以美国德州仪器公司(TI)的TMS320F206为核心的DSP数据采集和处理模块。整个系统安装在一块4层的PCB板上，通过9针RS-232电缆和PC机进行通讯，其原理框图如图1所示。其中所有的输入信号包括ECG1、ECG2(两路心电信号)、TEMPI(体温信号)、RESP(呼吸信号)、LEADOFF(导联脱落检测)、PACE(起博器检测)等均来自心电信号前期模拟处理模块。

　　1 TMS320F206简介

　　TMS320F206(以下简称F206)是TI公司于1996年推出的一种性价比很高的16位定点DSP芯片，运算速度为40MIPS。F206体系采用改进的哈佛结构，将程序存储器和数据存储器的总线分开，以便最大限度地提高处理能力。其可寻址空间为224K字(64K字程序空间，64K字数据空间，64K字I/O空间，32K字全局空间)，64K字程序空间中的前32K字可映射到F206片内集成的闪烁存储器(FLASH MEMORY)中，这样可以通过仿真器对F206进行在线的编程和擦写。F206片内具有4级流水线结构，其指令集专门对信号处理中常用的乘－加运算作了优化，支持单周期的乘法/累加指令；支持存储器块搬移指令，以便更好地管理程序和数据；支持基2的FFT位倒序检索寻址。

　　除支持高速运算以外，F206还具有众多的片上外设，主要包括：①软件可编程定时器；②用于程序、数据、I/O存储空间的软件可编程等待状态发生器，便于和低速器件接口；③片内振荡器和锁相环(PLL)，用于时钟选择×1，×2，×4，÷2；④同步串口，便于和串行CODEC接口；⑤全双工的异步串口，便于和PC机通信。

　　2 硬件组成

　　该心电监护模块共有4路输入：两路心电信号ECG1和ECG2、一路体温信号TEMPI、一路呼吸信号RESP，采用分时采样的工作方式。由于呼吸信号和体温信号的频率远小于心电信号的频率，在确定采样率时就以心电信号为基准。经验表明，在做常规心电图时，要求系统的带宽为100Hz左右，根据Nyquist采样定理，采样频率必须不低于200Hz。考虑到一定的工作裕量，每个工作通道的采样率取250Hz，这样对4个通道而言，总的工作频率为1kHz。通道切换的工作由一片双向模拟开关CD4051来实现，将C、B、A控制端连接到TMS320F206的三根地址线上，通过I/O指令打开相应的模拟通道，进行信号的采样。

　　信号的采样和量化工作由一片ADS774完成。ADS774是美国Burr-Brown公司生产的12位逐次逼近型并行A/D转换器，典型转换时间为8.5μs，并且有多种工作方式可供用户选择。在本心电模块中我们选用了直通 throughout 模式，仅用两根控制线R/C和STATUS与TSM320F206接口，其工作原理和时序如图2所示。

　　TMS320F206通过指令在XF引脚上产生一个宽度大于25ns的低电平脉冲，启动ADS774进行一次转换。启动后ADS774的STATUS引脚变为高电平，转换结束后ADS774数据线上的数据有效，此时其STATUS引脚跳变回低电平，通过这个电平跳变触发TMS320F206的INT1外部中断，将12位转换数据读入数据存储器。

　　由于TMS320F206片内的数据存储空间有限，为保存大量的采样数据和运算的中间结果，需增加外部数据存储器；同时为了在调试程序时能够设置断点和进行单步操作，也需要增加外部程序存储器。我们采用了4片日立公司的8位SRAM HM62256-10，两两组成16位的程序存储器和数据存储器，分别用F206的PS和DS信号进行片选。HM62256-10的典型存取时间为100ns，而TMS320F206的指令周期为50ns。为节省硬件等待电路的开支，利用了TMS320F206片内的可编程软件等待状态发生器产生两个等待状态，从而满足存储器的操作时间要求。利用TMS320F206片上集成的全双工异步串口，可以实现心电模块和PC机的通信。但是RS232电平和TTL电平不兼容，我们使用了一片电平转换芯片MAX202，它采用＋5V单电源供电，使用时只需加几个电容，便能完成两种电平的转换。为防止数据在传输过程中受到干扰，在输入输出端都加上光电耦合器。

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      R波的精确定位是心电监护模块的一个重要功能，它关系到后面进行心率计算及心律失常分析结果的正确性。一个正常人完整的的心电波形由P、Q、R、S、T五个部分组成，其中R波和T波的幅值相对较高。心率计算通常是根据心电波形中R波的间距来推算得到。但在少数异常波形中，T波的幅值会超过R波，如果把T波误判为R波来进行心率计算，则会产生很大的误差。通过对大量的心电信号进行频谱分析，发现R波通常位于0~33Hz的频率范围内，而T波位于0~9Hz的频率范围内。为了在心率计算时消除Ｔ波可能引起的干扰，我们设计了一个有源带通滤波器，其中心频率f0=12.867Hz，带宽B=f0/Q=5.629Hz，下限截止频率f1=10.3565Hz；上限截止频率f2=15.9855Hz。标准心电信号通过该带通滤波器前后的波形如图3所示。可以看出，频率相对较低的T波有很大的衰减而R波基本保持不变。

　　3 软件设计

　　该心电监护模块的软件由两部分组成。一是运行在TMS320F206片内FLASH MEMORY中的系统监控程序，二是运行于PC机端的图形界面用户程序。前者对实时性的要求较高，为提高运行效率，采用TMS320C2XX汇编语言编写，经汇编、链接后在外部程序RAM中调试，调试成功后烧写到TMS320F206的FLASH中。它主要由如下几个功能模块组成：①系统初始化模块。完成RAM、ADS774、中断以及定时器等外设的初始化设置；②定时采样模块，进行四路信号的分时采集，经预处理后存入数据RAM；③心率、呼吸率计算和体温插值运算模块；④512点心电信号的基2 FFT运算模块；⑤异步串行通信模块，实现与PC机之间的通信协议。

　　下面简要介绍一下心率计算模块的算法。设dR-R是相邻两个R波的间距(即两个R波之间有dR-R个采样点)，由于心电通道的采样率为250Hz，所以250÷dR-R即为一秒钟内R波的个数，60×250÷dR-R即为一分钟内的心跳次数。因此关键在于对R波进行准确定位。算法流程如图4所示。其中F I 为数据RAM中最新的1024个心电信号值，一次运算后， FIFO即被刷新，准备进行下次运算。 图5显示了R波的定位结果，"X"标识出查找到的R波最高点。

　　为了验证这个算法的正确性，我们以BIO-TECH心电信号仿真器产生的标准心电信号作为测试信号，发现它对正常信号和大部分异常信号均能准确地测出心率。

　　4 模块调试过程

　　整个心电模块的调试过程分三个阶段：①硬件调试，确保DSP板上的各器件均正常工作，这是进行软件调试的基础；②TMS320F206端软件调试，采用模块化方法，对各个功能编写相应的子程序，分别调通各个功能模块，然后把这些模块通过接口组装起来，实现整个系统的功能；③图形用户界面GUI软件调试，与TMS320F206的通讯模块调试同时进行，确保数据的正确收发，并在此基础上逐步增加新的功能。

　　调试结束后，用仿真器的FLASH烧写程序将目标代码通过JTAG口下载到TMS320F206中去，实现整个系统的脱机运行。

　　本系统已经达到设计任务书规定的要求，但还具有进一步扩展的潜力。软件方面，由于采用模块化设计，可以方便地增加新的功能模块，如自相关处理等；在硬件方面，TMS320F206和外围芯片的接口逻辑目前是用小规模集成电路实现，今后可改用PLD或FPGA芯片编程实现接口逻辑，减少芯片的数量，提高系统的可靠性。